Un "interruttore luminoso" superveloce per le auto e i computer del futuro

Da alcuni anni le auto a guida autonoma stanno migliorando e diventando più affidabili. Tuttavia, ci sono ancora alcuni ostacoli da superare prima che possano presto essere in grado di guidare in modo completamente autonomo sulle strade. In particolare, il rilevamento fulmineo dell'ambiente circostante e il riconoscimento di persone e ostacoli stanno portando le tecnologie attuali ai loro limiti.

Gli scienziati guidati da Jürg Leuthold dell'Istituto per i campi elettromagnetici dell'ETH di Zurigo, insieme ai colleghi del National Institute of Standards and Technology (NIST) negli Stati Uniti e dell'Università Chalmers di G?teborg (Svezia), hanno ora sviluppato un nuovo tipo di interruttore elettro-ottomeccanico che potrebbe essere in grado di risolvere elegantemente entrambi i problemi in futuro.

La plasmonica come strumento magico

Lo strumento magico utilizzato dai ricercatori si chiama plasmonica. In questa tecnica, le onde luminose vengono schiacciate in strutture molto più piccole della lunghezza d'onda della luce, il che non è possibile secondo le leggi dell'ottica. Ciò è possibile guidando la luce lungo l'interfaccia tra un metallo e un dielettrico, cioè una sostanza elettricamente debole o non conduttiva come l'aria o il vetro.

Le onde elettromagnetiche della luce penetrano parzialmente nel metallo ed eccitano gli elettroni che oscillano, creando un ibrido tra onda luminosa ed eccitazione elettronica: il plasmon.

Più di dieci anni fa, illustri fisici avevano previsto che gli interruttori ottici basati sui plasmoni avrebbero potuto annunciare una rivoluzione nella trasmissione e nell'elaborazione dei dati, poiché entrambi sono molto più veloci con i fotoni che con l'elettronica convenzionale. Tuttavia, le applicazioni commerciali sono finora fallite a causa delle grandi perdite che si verificano durante il trasporto dei fotoni attraverso i componenti plasmonici e delle alte tensioni di commutazione richieste.

Sfruttare i punti di forza della plasmonica

"Ora abbiamo risolto questi problemi sfruttando le buone proprietà della plasmonica e riducendo al minimo quelle cattive", afferma il ricercatore post-dottorando Christian Haffner, che ha guidato il progetto come primo autore dell'articolo pubblicato di recente su Science. Il cuore dell'interruttore elettro-ottomeccanico sviluppato da Haffner e dai suoi colleghi è una membrana d'oro spessa appena 40 nanometri e larga pochi micrometri, separata da un substrato di silicio da un disco di ossido di alluminio.

La dimensione dello spazio tra la membrana d'oro e il substrato può essere controllata meccanicamente da forze elettriche. Se si applica una tensione, la membrana si piega leggermente e lo spazio si riduce.

La dimensione dello spazio determina a sua volta se un'onda luminosa prosegue semplicemente in linea retta o viene deviata intorno alla membrana d'oro. ? qui che entrano in gioco i plasmoni: per una certa larghezza della fenditura, solo i plasmoni con una certa lunghezza d'onda possono essere eccitati sulla membrana d'oro. Se la luce ha una lunghezza d'onda diversa, non viene accoppiata alla membrana e si propaga in linea retta nella guida d'onda di silicio.

Basse perdite e tensione di commutazione

"Poiché utilizziamo i plasmoni solo per il breve tratto intorno alla membrana di commutazione, abbiamo perdite significativamente inferiori rispetto ai precedenti interruttori elettro-ottici", spiega Haffner. "Gli scienziati hanno già potuto dimostrare che il loro nuovo interruttore può essere acceso e spento diversi milioni di volte al secondo, con una tensione elettrica di poco superiore a un volt.

In questo modo si elimina la necessità di amplificatori ingombranti e affamati di energia, che in passato erano comuni per gli interruttori elettro-ottici. In futuro, i ricercatori intendono migliorare ulteriormente il loro interruttore rendendo ancora più piccolo lo spazio tra l'oro e il silicio. Questo ridurrà in modo significativo sia le perdite di luce che la tensione di controllo.

Dalle automobili alle tecnologie quantistiche

Il potenziale applicativo del nuovo interruttore è molto ampio. Ad esempio, i sistemi LIDAR ("Light Detection and Ranging") per le auto a guida autonoma, in cui l'intensità e la direzione di propagazione dei fasci luminosi devono essere modificate con estrema rapidità, potrebbero trarre vantaggio dagli interruttori veloci e compatti. Anche il riconoscimento dei modelli, necessario per il controllo delle auto, può essere reso più veloce con questi interruttori.

Gli interruttori potrebbero essere utilizzati in reti neurali ottiche modellate sul cervello umano. Verrebbero utilizzati come elementi di ponderazione con cui la rete "impara" a riconoscere determinati oggetti, praticamente alla velocità della luce.

Queste realizzazioni ottiche di circuiti che normalmente funzionano con la corrente elettrica sono un tema caldo anche in altri settori. Per la realizzazione di tecnologie quantistiche, ad esempio (come insegnato nel programma di laurea magistrale lanciato di recente). Ingegneria quantistica sono insegnati all'ETH di Zurigo), anche i circuiti ottici quantistici sono oggetto di intense ricerche. Finora i circuiti ottici quantistici sono supportati da interruttori ottici classici.

Questi interruttori si basano solitamente su una variazione dell'indice di rifrazione di un materiale attraverso il riscaldamento, per cui i raggi luminosi vengono deviati in misura diversa. Tuttavia, questo funziona solo lentamente ed è incompatibile a lungo termine con le basse temperature a cui lavorano altri elementi quantistici, come i bit quantistici o "qubit" (corrispondenti ai bit classici che rappresentano "0" e "1") di un computer quantistico. Un interruttore veloce che praticamente non si riscalda affatto dovrebbe quindi essere molto apprezzato anche per queste applicazioni.